變頻器故障診斷方法研究

PAGEPAGE1變頻器故障診斷方法研究摘要：本文通過對變頻器主電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，從理論方面探索其故障的類型和故障產(chǎn)生的原因。根據(jù)變頻器故障類型提出了相關(guān)的診斷方法，并具體介紹了主回路跳閘和過流故障的解決方法。最后，利用小波分析變換的方法來研究變頻器的故障類型，并提出了具體的實(shí)現(xiàn)方法，由于條件的限制，對于仿真環(huán)節(jié)沒有進(jìn)行相應(yīng)的研究，這是論文的不足之處。關(guān)鍵詞：變頻器，主電路，故障診斷，小波分析1引言變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的重要發(fā)展方向，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，變頻交流調(diào)速已經(jīng)逐漸取代了過去的滑差調(diào)速、變極調(diào)速、直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)。變頻器作為交流調(diào)速的主要裝置，不僅調(diào)速平滑，調(diào)速范圍大，啟動電流小，而且節(jié)能效果明顯，在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用越來越廣泛。因此，對于變頻器的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的研究，確證設(shè)備的正常運(yùn)行對工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。2變頻器基本結(jié)構(gòu)通用型變頻器大致包括幾個部分：a整流電路；b直流中間電路；c逆變電路；d控制電路。其中產(chǎn)生可調(diào)電壓和可調(diào)頻率的逆變電路是變頻器的核心技術(shù)。變頻器從結(jié)構(gòu)上分為交-交變頻器與交-直-交變頻器，從變頻性質(zhì)上主要分為電壓源型變頻器與電流源型變頻器。目前國內(nèi)生產(chǎn)的變頻器主要以電壓源型交-直-交變頻器為主，其主電路結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1變頻器主電路圖其中IGBT構(gòu)成了變頻器主要硬件，圖2-1中主電路功能有整流電路、濾波電路、逆變電路、限流電路、制動電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路七個部分。2.1整流電路由～組成三相橋式全波整流電路，將三相交流電整流為直流電。2.2濾波電路整流電路輸出的直流電壓為脈動的直流電壓，因而需濾波電路濾去電壓波紋，同時它還在整流電路與逆變電路中起到儲能作用。2.3逆變電路由開關(guān)管～構(gòu)成逆變電路將直流電壓逆變成三相頻率、電壓可調(diào)的交流電以驅(qū)動三相電動機(jī)，是變頻器實(shí)現(xiàn)變頻的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2.4限流電路由限流電阻R及開關(guān)構(gòu)成，由于上電瞬間濾波電容端電壓為零，上電瞬間電容充電電流較大，過大的電流可能損壞整流電路，為保護(hù)整流電路在變頻器上電瞬間限流電阻串聯(lián)到直流回路中，當(dāng)電容充電到一定時間后通過開關(guān)將電阻短路。2.5制動電路由制動電阻及開關(guān)管構(gòu)成，主要作用是用于消耗電動機(jī)反饋回來的能量，避免過高的泵升電壓損壞變頻器；變頻器功率在18.5kW以下的機(jī)型，主電路主要采用集整流、逆變、制動電路和溫度檢測為一體的七單元模塊構(gòu)成，22kW及以上的機(jī)型采用整流模塊和三路兩單元逆變模塊構(gòu)成。2.6驅(qū)動電路驅(qū)動電路是將主控電路中CPU產(chǎn)生的六個PWM信號，經(jīng)光電隔離和放大后，作為逆變電路的換流器件提供驅(qū)動信號。驅(qū)動電路因換流器件的不同而異。目前，一些開發(fā)商開發(fā)了許多適宜各種換流器件的專用驅(qū)動模塊。大部分的變頻器采用驅(qū)動電路。圖2-2是較常見的驅(qū)動電路，從修理的角度考慮，驅(qū)動電路由隔離放大電路、驅(qū)動放大電路和驅(qū)動電路電源組成。三個上橋臂驅(qū)動電路是三個獨(dú)立驅(qū)動電源電路，三個下橋臂驅(qū)動電路是一個公共的驅(qū)動電源電路。圖2-2驅(qū)動電路2.7保護(hù)電路每個品牌的變頻器都有保護(hù)功能，有常規(guī)的檢測保護(hù)電路，軟件綜合保護(hù)功能。有些變頻器的驅(qū)動電路模塊、智能功率模塊、整流逆變組合模塊等都具有保護(hù)功能。圖2-3所示的電路是較典型的過流檢測保護(hù)電路。由電流取樣、信號隔離放大、信號放大輸出三部分組成。圖2-3電流檢測保護(hù)電路(U相)3變頻器故障類型及產(chǎn)生原因3.1故障類型盡管變頻器已采用多種新型部件和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，但從目前的元件技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)性考慮，仍不可避免的采用了壽命相對較短的零部件。與此同時，還不排除零部件受到安裝環(huán)境的影響，其壽命可能要比預(yù)期的時間要短。變頻器的故障率與使用時間的關(guān)系曲線如圖3-1所示。圖3-1變頻器故障率與使用時間關(guān)系曲線在圖3-1中，初期故障是指變頻器在安裝調(diào)試和初期運(yùn)行階段，由于元器件的某種缺陷或某種外部原因而發(fā)生故障。元器件經(jīng)過器件制造廠家出廠檢測，變頻器生產(chǎn)廠家進(jìn)廠入庫前的抽樣檢測，以及變頻器出廠前經(jīng)過嚴(yán)格的整機(jī)檢測，能使變頻器故障率降低到最低程度。由于個別器件存在隱患和現(xiàn)場安裝及初期運(yùn)行時誤操作，致使這一期間變頻器故障率較高。當(dāng)變頻器投入正常使用后，在較長的一段時間內(nèi)出現(xiàn)故障的情況明顯減少，這時的故障可能有變頻器內(nèi)部某個器件發(fā)生突發(fā)性故障，也可能是由于使用環(huán)境差，使變頻器內(nèi)部引起的故障。由于這種故障偶然性強(qiáng)、較難預(yù)料，故稱為偶發(fā)故障。一般來說，在開發(fā)設(shè)計(jì)階段有針對性地增加零部件的額定余量，在使用階段加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)是解決偶發(fā)故障的主要手段。磨損故障是臨近使用壽命后期而發(fā)生的故障，主要特征是隨著時間的推移故障率明顯的增加。為了延長變頻器的使用壽命，需要對變頻器進(jìn)行定期的檢查和保護(hù)，在預(yù)計(jì)零部件即將到達(dá)使用壽命時進(jìn)行更換，做到有備無患。3.2故障原因（1）外部原因。如操作錯誤、參數(shù)設(shè)定不正確、負(fù)載過重、外部冷卻風(fēng)扇損壞、溫度過高、外界干擾、電網(wǎng)本身有問題等。（2）內(nèi)部原因。如電路短路、接地元件損壞、絕緣破壞、接插件接觸不良、模塊損壞等。4變頻器的故障診斷與維修由于使用方法的不正確或設(shè)置環(huán)境的不合理，將容易造成變頻器誤動作及發(fā)生故障，常用的故障診斷方法有：（1）故障樹診斷法；（2）人工與自診斷結(jié)合法；（3）對比診斷法。但是在實(shí)際的故障中，應(yīng)當(dāng)對故障原因進(jìn)行認(rèn)真分析，排除變頻器外圍電路和機(jī)械部分故障后，針對變頻器的電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合故障現(xiàn)象和變頻器主電路結(jié)構(gòu)框圖，對實(shí)際電路故障進(jìn)行分析和診斷。4.1主回路跳閘該故障表現(xiàn)為變頻器運(yùn)行過程中有大的響聲，或開機(jī)時送不上電，變頻器控制用的斷路器或空氣開關(guān)跳閘。這種情況一般是由于主電路(包括整流模塊、電解電容或逆變橋)直接擊穿短路所致，在擊穿的瞬間強(qiáng)烈的大電流造成模塊炸裂而產(chǎn)生巨大響聲。引起這類故障的主要原因有以下幾種情況：4.1.1整流模塊損壞的原因整流模塊損壞的主要原因有：（1）器件本身質(zhì)量不好；（2）后級電路，逆變功率開關(guān)元件損壞，導(dǎo)致整流橋流過短路電流而損壞；（3）電網(wǎng)電壓太高，電網(wǎng)遇雷擊和過電壓浪涌。電網(wǎng)內(nèi)阻小，過壓保護(hù)的壓敏電阻已經(jīng)燒毀，不起作用，導(dǎo)致全部過壓加到整流橋上；（4）變頻器與電網(wǎng)的電源變壓器太近，中間的線路阻抗很小，變頻器沒有安裝直流電抗器和輸入側(cè)交流電抗器，使整流橋處于電容濾波的高幅度尖脈沖電流的沖擊狀態(tài)下，整流橋損壞；（5）三相輸入缺相，使整流橋負(fù)擔(dān)加重而損壞。為保證整流模塊的正常作用，要解決這類電網(wǎng)波形畸變的有效方法是：（1）在配電變壓器后面的變頻器的總負(fù)載容量不要太大，一般應(yīng)小于配電變壓器容量的1/10以下；（2）變頻器要配置直流電抗器和輸入側(cè)交流電抗器，而且選擇電抗器的電感數(shù)值應(yīng)當(dāng)大一些為好。直流電抗器電感量越大，電流連續(xù)性越好，對功率因數(shù)改善越有利。4.1.2IGBT損壞的原因IGBT的損壞主要是由于均壓造成的，這包括動態(tài)均壓和靜態(tài)均壓。具體包括：（1）在使用較久的變頻器中，由于某些電容的容量減少而導(dǎo)致整個電容組的不均壓，分擔(dān)電壓高的電容容易炸裂。IGBT的損壞主要是由于母線尖峰電壓過高而緩沖電路吸收不利造成的。在IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷過程當(dāng)中，存在著極高的電流變化率，當(dāng)母線設(shè)計(jì)不合理，造成母線電感過高時，就會使模塊承擔(dān)的電壓過高而被擊穿，擊穿的瞬間大電流造成模塊炸裂，所以減小母線電感是保護(hù)變頻器的關(guān)鍵；（2）在IGBT的前級光電隔離器件因擊穿導(dǎo)致功率器件也被擊穿，或印制板在隔離器件部位因塵埃、潮濕造成打火擊穿，導(dǎo)致IGBT損壞；（3）雷擊、房屋漏水人浸，異物進(jìn)入、檢查人員誤碰等意外，也會可能導(dǎo)致IGBT被擊穿。只有先查找損壞的根本原因，才能決定是否更換逆變模塊，消除再次損壞的可能。為保證IGBT工作正常，相應(yīng)的解決辦法有：（1）使IGBT同絕緣柵場效應(yīng)管一樣避免靜電損壞，在裝配焊接中防止損壞的根本措施是：使要修理的機(jī)器、IGBT模塊、電烙鐵、人、操作工作臺墊板等全部處在同一電場電位下進(jìn)行操作。全部連接的公共點(diǎn)如果都能接地就更好，特別是電烙鐵頭上不能帶有示電高電位，示波器電源要用隔離良好的變壓器隔離。IGBT模塊在未使用前要保持控制極G與發(fā)射極E接通，不得隨意去掉該器件出廠前的防靜電保護(hù)GE連通措施；（2）功率模塊與散熱器之間涂導(dǎo)熱硅脂，保證涂層厚度為0.1mm～0.25mm，接觸面80％以上，緊固力矩按緊固螺釘大小施加(M413kg—cm、M517kg—cm、M622kg—cm)，以確保模塊散熱良好；（3）并聯(lián)模塊要求型號、編號一致，在編號無法一致時，要確保被并聯(lián)的全部模塊性能相同；（4）對因炸機(jī)造成銅件缺損，要把毛刺修圓砂光，避免因過電壓發(fā)生尖端放電而再次損壞。此外，參數(shù)設(shè)置不合理也會造成IGBT損壞，尤其在大慣量負(fù)載下，如離心風(fēng)機(jī)、離心攪拌機(jī)等，因變頻器頻率下降時間過短，造成停機(jī)過程電機(jī)發(fā)電而使母線電壓升高，超過模塊所能承受的界限而炸裂。這種情況應(yīng)當(dāng)盡量使下降時間放長，一般不低于300s，或在主電路中增加泄放回路，采用耗能電阻來釋放掉該能量，如圖4-1所示。圖4-1耗能電阻接線圖圖4-1中R為耗能電阻，在母線電壓過高時，A管導(dǎo)通，母線電壓下降，正常后關(guān)斷。使母線電壓趨于穩(wěn)定，保證主器件的安全。4.2過流故障過流故障可能是變頻器的輸出短路所引起，這時要對線路及電機(jī)進(jìn)行檢查。如果斷開負(fù)載變頻器還是過流，說明變頻器的逆變電路損壞，應(yīng)修理或更換。如拆開機(jī)器可能發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的短路現(xiàn)象，整流模塊和IGBT模塊爆裂，儲能大電容一部分發(fā)脹，電容板上的兩顆大螺絲接觸處燒焦，這是變頻器的通病。因?yàn)樗须娏慷家?jīng)過這兩顆鐵螺絲，一旦鐵螺絲生銹，很容易引起電容的充、放電不良，這樣電容發(fā)熱漏電，發(fā)脹到最后損壞重要器件。為了防止再次接觸不良打火，在上螺絲的同時最好焊上幾股粗銅線，維修觸發(fā)板時如果不知道參數(shù)，可以參考控制板上完好的器件并對比損壞的器件；更換損壞器件后，可以加電試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟按主回路到控制回路，空載和負(fù)載分別運(yùn)行檢查。加電試驗(yàn)前為保證器件安全，防止再次損壞重要器件，大容量電容器暫時不要裝，用兩只小容量電容器代替即可。為了保護(hù)IGBT，電容器到IGBT的供電回路最好是串聯(lián)白熾燈泡(也就是串接一個假負(fù)載)，通電后如果顯示正常，可以啟動變頻器；再測量6個觸發(fā)脈沖，如果信號正常，可以去掉電容器與IGBT之間的燈泡，裝上大電容器進(jìn)行空載運(yùn)行，正常后再接負(fù)載運(yùn)行，經(jīng)調(diào)試過后變頻器一般可恢復(fù)正常。5小波分析在故障診斷中的應(yīng)用利用小波變換的多分辨率性質(zhì)，基于信號和隨機(jī)噪聲在小波變換域中不同的模極大值系數(shù)特征，不但能提取信號和噪聲在多尺度分辨空間中的波形特征，而且根據(jù)表征該特征的小波系數(shù)模極大值傳播特性的不同，來實(shí)現(xiàn)對信號波形的有效檢測。這樣，既避免了矩陣運(yùn)算，降低了運(yùn)算量，又能在獲得一定改善信噪比增益的同時，保持對信號波形細(xì)節(jié)有較好分辨率，井且對待檢測信號形式不敏感。小波分析是一種全新的信號的時間——尺度分析方法，它繼承了傅里葉分析用簡諧函數(shù)作為基函數(shù)來逼近任意信號思想，只不過小波分析的基函數(shù)是一系列尺度可變函數(shù)。這使得小波分析具有良好的時一頻定位特性以及對信號的自適應(yīng)能力，故而能夠?qū)Ω鞣N時變信號進(jìn)行有效的分解，為控制系統(tǒng)故障診斷提供丁新的、強(qiáng)有力的分析手段。小波變換屬線性變換，無干擾項(xiàng)，它具有多分辨率分析的特點(diǎn)，即時頻分辨率可變，具有“變焦”特性，因此具有對非平穩(wěn)信號局部化分析的突出優(yōu)點(diǎn)，有良好的時一頻定位功能。很適合探測正常信號中夾帶的瞬態(tài)反?，F(xiàn)象并展示其成分，因此，在機(jī)械設(shè)備及系統(tǒng)中，利用小波變換進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)故障檢測與診斷具有良好的效果。變頻器逆變輸出電壓波形中通常含有非周期信號和畸變信號，小波變換對信號的波形非常敏感。利用這個特點(diǎn)，通過選擇恰當(dāng)?shù)男〔ɑc(diǎn)和合適的尺度參數(shù)，可以在強(qiáng)噪聲情況下，準(zhǔn)確地檢測到突變信號。小波分析實(shí)質(zhì)上就是對被檢測信號的多帶通濾波，通過分析變頻器輸出電壓頻率分量的變化情況可以確定故障是否發(fā)生以及相應(yīng)故障定位。5.1小波分析小波分析在時域和頻域范圍內(nèi)同時具有良好的局部化性質(zhì)，可以對高頻成分采用逐漸精細(xì)的方法取代時域空間波長，從而可以聚焦到對象的任意細(xì)節(jié)。在變頻器運(yùn)行過程中，其故障與否必然表現(xiàn)為一些特征量的變化，故障特征提取方法的研究便成了變頻器故障診斷技術(shù)的關(guān)鍵。含有豐富信息的變頻器運(yùn)行狀態(tài)信號的特征提取是建立在數(shù)字信號處理基礎(chǔ)上的，信號分析的目的就是通過對運(yùn)行狀態(tài)信號處理，確定設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征量。小波分析是從Fourier分析逐步發(fā)展起來的，而傅里葉變換是分析平穩(wěn)信號特性的強(qiáng)有力手段，在許多科學(xué)領(lǐng)域中得到了很廣泛的應(yīng)用。小波，簡單地說就是“一小段波”，是一種特殊的長度有限的、平均值為零的波。它有兩個特點(diǎn)：一是“小”，即在時域范圍內(nèi)具有緊支撐集或近似緊支撐集；二是正負(fù)交替的波動性，也就是其直流分量為零。小波分析方法就是將信號分解為一系列小波函數(shù)的疊加，而這些函數(shù)都是由一個小波母函數(shù)經(jīng)過平移和尺度伸縮得來的，這是小波變換有別于其他分析方法先進(jìn)的地方。把對于模擬信號的積分變換：（5-1）稱為小波變換，其中是由經(jīng)過平移和伸縮得到的小波基函數(shù)。在小波變換的定義中，小波函數(shù)是窗函數(shù)，它可以表現(xiàn)出小波分析的變換情況。在實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)所處理的信號都是通過采樣得到的二進(jìn)制離散信號，因此通常將中的連續(xù)變量a和b取整數(shù)離散形式，將化為，相應(yīng)的小波變換可以表示為變換的形式。若為信號的離散采樣數(shù)據(jù)，如果，其離散小波變換可采用特殊的算法來實(shí)現(xiàn)離散信號在不同尺度上的二進(jìn)制小波變換。該算法表示為：（）（5-2）其中：N為離散采樣數(shù)據(jù)；h，g為濾波器的脈沖響應(yīng)，即分解各列濾波器參數(shù)；為信號的逼近參數(shù)；為在分辨率下的連續(xù)逼近；為信號的細(xì)節(jié)參數(shù)；為在分辨率下的離散細(xì)節(jié)。它們分別描述了分解的低頻近似部分和高頻細(xì)節(jié)部分。

離散信號經(jīng)過尺度的層層分解，得到了在中各正交封閉子空間上的小波變換系數(shù)集和，分解結(jié)果也將信號劃分成不同的頻帶，且各頻帶互不相交，在確定小波母函數(shù)和采樣頻率的情況下，每個頻帶范圍由尺度j所決定。對信號進(jìn)行小波分解的層數(shù)根據(jù)具體信號對特征參數(shù)的要求來決定，這里采用三層分解來說明，其小波分解結(jié)構(gòu)圖如5-1所示。從圖中可看出，多分辨率只是對低頻部分進(jìn)行一步步的分解，而高頻部分則并不需要考慮。其分解具有如下關(guān)系：，如果要進(jìn)一步的分解，則可以把低頻部分分解成低頻部分和高頻部分，以下的分解依此類推。圖5-1多分辨率的分析示意圖5.2變頻器輸出電壓的小波分解變頻器逆變輸出的電壓波形中通常都含有非周期信號和畸變信號，采樣傳統(tǒng)的傅立葉變換已經(jīng)不合時宜，而小波變換對信號的變化非常敏感，當(dāng)信號在某一時刻發(fā)生突變時，該信號的小波變換在一定的尺度范圍內(nèi)均會在信號突變處產(chǎn)生峰值，并且呈現(xiàn)出與噪聲截然不同的特征。利用這一特點(diǎn)，通過選擇恰當(dāng)?shù)男〔ɑc(diǎn)和合適的尺度參數(shù)，可以在強(qiáng)噪聲情況下，準(zhǔn)確的檢測到突變來的信號。有效突變點(diǎn)所對應(yīng)的小波變換模極大值具有沿尺度傳遞的特性，而隨機(jī)噪聲信號的小波變換模極大值將隨著尺度的增加而迅速衰減，利用該性質(zhì)可以提高變頻器故障診斷系統(tǒng)抗噪聲干擾能力。傅立葉變換用到的基本函數(shù)具有唯一性，而小波分析中所用到的小波函數(shù)不具有唯一性。對同一個工程問題應(yīng)用不同的小波基點(diǎn)進(jìn)行分析會產(chǎn)生不同的結(jié)果，目前判定小波基點(diǎn)的好壞主要是通過小波分解方法來判斷處理信號結(jié)果與理論結(jié)果的誤差，并由此選定小波基點(diǎn)。緊支撐集保證有優(yōu)良的空間局部性質(zhì)；平滑性則保證頻率分辨率的高低；對稱性保證子波的濾波特性有線性相移，不會造成信號的失真。選擇和構(gòu)造一個正交小波要求其具有一定的緊支撐集、平滑性和對稱性，但是以上三點(diǎn)不可能得到同時滿足，緊支撐集與平滑性二者不可兼得。小波正好具有正交性，N階消失矩，平滑度隨的增加而增加，但它的有效支撐長度等于，并且不具備對稱性(除外)?？梢钥闯?，隨著的增大，平滑度變好，但其支撐長度則變大。根據(jù)變頻輸出電壓信號的特點(diǎn)綜合考慮，這里選擇小波可基本滿足緊支撐集與平滑性的要求。5.3能量特征提取方法小波分解實(shí)質(zhì)上是對被檢測信號的多帶通情況的濾波，正常運(yùn)行狀態(tài)與故障狀態(tài)下的變頻器電壓輸出波形的各頻帶成分是互不相同的，通過分析變頻器的輸出電壓頻率分量的變化情況可以確定故障是否發(fā)生及故障定位。因此，通過對變頻器輸出電壓的小波分解，可以捕捉其故障信息，從而提取故障特征。從信號濾波的角度來看，正交小波分解是將待分解的信號通過一個低通濾波器和一個高通濾波器進(jìn)行濾波，得到一組低頻信號和高頻信號，并且對低頻信號一直分解到第層。每次分解得到的低頻信號和高頻信號長度都是原信號長度的一半，兩者長度之和正好等于原信號的長度，可以看作是在濾波后又進(jìn)行了間隔點(diǎn)采樣，分解結(jié)果沒有冗余，也不損失原信號的任何信息。對電壓型逆變器中輸出間電壓信號可以采